KR20110120373A - 링크코스트를 이용한 에너지 기반 이동 에드혹 네트워크 클러스터링 방법 - Google Patents

링크코스트를 이용한 에너지 기반 이동 에드혹 네트워크 클러스터링 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20110120373A
KR20110120373A KR1020100039749A KR20100039749A KR20110120373A KR 20110120373 A KR20110120373 A KR 20110120373A KR 1020100039749 A KR1020100039749 A KR 1020100039749A KR 20100039749 A KR20100039749 A KR 20100039749A KR 20110120373 A KR20110120373 A KR 20110120373A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cluster
energy
hoc network
mobile
nodes
Prior art date
Application number
KR1020100039749A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101087034B1 (ko
Inventor
문창민
이강환
Original Assignee
한국기술교육대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국기술교육대학교 산학협력단 filed Critical 한국기술교육대학교 산학협력단
Priority to KR1020100039749A priority Critical patent/KR101087034B1/ko
Publication of KR20110120373A publication Critical patent/KR20110120373A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101087034B1 publication Critical patent/KR101087034B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L45/00—Routing or path finding of packets in data switching networks
    • H04L45/46—Cluster building
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
    • H04L41/08—Configuration management of networks or network elements
    • H04L41/0803—Configuration setting
    • H04L41/0823—Configuration setting characterised by the purposes of a change of settings, e.g. optimising configuration for enhancing reliability
    • H04L41/0833—Configuration setting characterised by the purposes of a change of settings, e.g. optimising configuration for enhancing reliability for reduction of network energy consumption

Abstract

본 발명은 이동 애드혹 네트워크에서의 로컬 클러스터링 기법에 관한 것으로서, 이동 애드혹 네트워크에서 클러스터링을 수행함에 있어서, 클러스터 내에 존재하는 모든 링크코스트들의 합의 최소값을 예측하는 모델링에 기반한 클러스터링 알고리즘을 사용함으로써, 제한된 에너지를 갖는 이동노드들의 패킷 라우팅에 따른 에너지 소모를 균등히 하고 이동 애드혹 네트워크의 시간을 효율적으로 연장하기 위한 계층적 연결 구조의 링크코스트 예측 기반 클러스터링 기법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

계층적 연결구조를 갖는 이동 애드혹 네트워크의 깊이를 최적으로 설정가능한 클러스터링 기법{A clustering method of Ad hoc Network Hierarchial Topology with optimal depth}
이동 애드혹 네트워크에서의 클러스터링
이동 애드혹 네트워크는 기반시설의 도움 없이 이종 기기들 간의 연결을 통해서 네트워크를 형성한다. 이동 애드혹 네트워크는 기반시설이 붕괴 된 환경 또는 인간이 접근하기 어려운 지역에서 사용될 수 있으며, 따라서 제한된 용량의 배터리를 전원으로 사용하는 특징이 있다.
이동 노드의 제한된 배터리 에너지 용량은 이동 노드와 이동 애드혹 네트워크의 작동시간을 연장하는 것에 많은 어려움을 야기한다. 많은 양의 패킷을 이동 노드들이 라우팅할 경우 이동 노드의 에너지 소모는 더욱 많아지고 이동 애드혹 네트워크의 작동시간은 더욱 짧아진다. 특히 이동 에드혹 네트워크의 병목구간에 위치한 이동노드들은 많은 양의 패킷을 라우팅하게 되어 에너지 소진이 매우 빨라지게 된다.
이러한 이동노드 에너지 소진의 문제를 보완하기 위하여, 계층적인 구조의 클러스터 내에서 최소의 에너지를 소비하는 계층의 깊이를 예측하여 사용함으로써 에너지 소모를 최소로 하기 위한 클러스터링 기법, 이동 애드혹 네트워크의 계층적 클러스터링을 사용한 라우팅 기법, 에너지 효율적인 네트워크 모델 등이 제안되었다(참조 논문 : "FTEP: A Fault Tolerant Election Protocol for Multi-level Clustering in Homogeneous Wireless Sensor Networks, ICON, (2008)").
기존의 에너지 기반 클러스터링 기법들은 2계층으로 고정된 깊이의 클러스터링만 고려하여, 계층 변화에 따른 에너지 효율성을 고려하지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 착안한 것으로서, 단위 클러스터 내에서 소비되는 에너지량을 예측하는 기법을 사용하여 매우 간단하면서도 효율적으로 클러스터 내 소비에너지를 최소화 함으로써 이동노드들의 작동시간과 이동 애드혹 네트워크의 작동시간을 증가시키는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 의해서 더 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
발명은 계층적 클러스터 구조를 갖는 네트워크에서 계층의 깊이변화에 따른 단위 클러스터 내의 에너지 소비량을 예측하여 이를 클러스터링에 반영함으로써, 제한된 에너지 용량을 갖는 이동노드들이 클러스터링을 형성하고 패킷 라우팅을 수행함에 있어 전체 네트워크의 에너지 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명은 이동 에드혹 네트워크의 분할을 유발할 수 있는 이동노드의 에너지고갈에 의한 작동중지를 예방할 수 있는 효과가 있다.
또한 상기와 같은 본 발명은 이동노드의 집합으로 이루어지는 이동 애드혹 네트워크의 작동시간을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도1은 클러스터링 형성 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도2는 클러스터를 구성할 시에 교환하는 패킷에 대한 도면이다.
도3은 1계층 클러스터 내에서의 패킷 교환에 관한 도면이다.
도4는 2계층 클러스터 내에서의 패킷 교환에 대한 도면이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이동노드의 에너지 잔량과 거리에 따라 가상 클러스터의 구성 단계, 각 가상 클러스터의 가상 링크코스트를 연산하는 연산 단계, 새로운 가상 링크코스트 값들을 기반으로 실제 클러스터 정보를 갱신하는 갱신 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 더 분명해 질 것이며, 그에 따라본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 설명의 편의를 위해 본 명세서에서 사용되는 용어들을 먼저 설명한 후 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 이동 애드혹 네트워크에서 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 클러스터링 형성 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면 물리적으로 실제 클러스터 구성(460)을 하기 전에 가상으로 클러스터를 구축하고(410, 420) 클러스터 내에서 소비되는 에너지를 추정하는 단계(430)로 이뤄진다.
가상 클러스터 구성 단계(410)에서는 노드를 중심으로 하고 원 형태를 갖는 통신반경을 적용하고, 최상위 클러스터헤드의 최대 통신반경은
Figure pat00001
라고 표시하기로 한다.
최상위 클러스터헤드는 클러스터 계층의 깊이를 n단계까지 단계적으로 구성하기 위해서 노드의 전송파워를 가변하고, 이때 최상위 클러스터의 전송범위를
Figure pat00002
라고 표시한다.
n단계 최상위 클러스터의 전송 범위를
Figure pat00003
라고 표시하며, 최대
Figure pat00004
까지의 값을 갖는다
1차 가상 클러스터는
Figure pat00005
인 조건을 갖고 클러스터 계층의 깊이는 1단계로 구성되며, n차 가상 클러스터는
Figure pat00006
인 조건을 갖고 계층의 깊이는 n단계로 구성된다.
1차 가상 클러스터를 구성한 후 클러스터 내에서 소비되는 에너지를 추정하고 그 값을 변수에 저장해 두며, 이러한 과정을 k차 가상 클러스터까지 반복하여 수행한다.
이와 같은 과정을 수행한 후에, 소비되는 에너지가 가장 적은 차수의 가상 클러스터를 선택하여 실제 클러스터를 구성단계를 수행한다.
상기 소비되는 에너지를 추정하기 위해서 사용하는 에너지 소비 모델 중 송신시의 소비되는 에너지는
Figure pat00007
라고 표시하며, 하기의 수학식1과 같다.
Figure pat00008
상기 수학식1의
Figure pat00009
는 노드에서 1bit를 전송할 때 소비되는 에너지를 의미하고,
Figure pat00010
는 노드에서 1bit를 증폭할 때 소비되는 에너지를 의미하고, d는 거리를 의미하며, r은 송신 패킷의 개수를 의미한다.
상기 소비되는 에너지의 수신시 소비되는 에너지는
Figure pat00011
라고 표시하며, 하기의 수학식2와 같다.
Figure pat00012
상기 수학식2의
Figure pat00013
는 노드에서 1bit를 수신할 때 소비되는 에너지를 의미하고, r은 수신하는 패킷의 개수를 의미한다.
상기 k차 가상 클러스터에서 송신시에 소비되는 전체 에너지는 클러스터 내의 모든 노드들이 송신 시에 소비하는 에너지의 합으로 표현하며, 수학식3과 같다.
Figure pat00014
상기 k차 가상 클러스터에서 송신시에 소비되는 전체 에너지는 클러스터 내의 모든 노드들이 송신 시에 소비하는 에너지의 합으로 표현하며, 수학식4와 같다.
Figure pat00015
따라서 클러스터 내에서 소비되는 전체 에너지는 송신시의 에너지와 수신시의 에너지의 합으로 구할 수 있고, 클러스터 내에서 소비되는 전체 에너지는
Figure pat00016
라고 표시하며, 하기의 수학식5과 같다.
Figure pat00017
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 이동노드(201)는 임의의 확률로 제1계층 최상위 클러스터헤드로 선출이 되고, 통신반경(Rc1) 이내의 이동노도들(1계층노드)에게, JREQ(101) 메시지를 전송하면, JREQ를 받은 이동노드들은 JREP(102)를 최상위 클러스터헤드에 전송해주고, 최상위 클러스터헤드가 다시 멤버헤가입드메시지(103) 또는 멤버노드가입메시지(104)를 보내줌으로써 1계층노드를 1계층 클러스터헤드 또는 1계층 일반노드로 선출하며, 상기의 과정을 n계층노드까지 동일한 방법으로 되풀이하는 과정을 나타내는 도면이다.
이동 에드혹 네트워크를 구성하는 이동노드(101, 100)들은 IEEE802.11 MAC 표준을 사용하여 통신하며 다계층의 클러스터링이 구성될 경우 다중 홉을 거쳐 통신이 가능하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 도 2에서 설명한 내용 중에서 1계층까지의 과정을 노드들의 물리적인 배치와 함께 설명하는 것을 보여주는 도면으로써, 최상위 클러스터헤드로 선출된 이동노드(201)는 통신반경을 Rc1(301)으로 설정한 후에, 통신반경 이내의 노드들(202)에게 멤버헤드가입메시지(103)을 보내 멤버헤드로 선택하고 멤버노드가입메시지(104)를 보내서 멤버노드로 선택하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 도 2에서 설명한 내용 중에서 2계층까지의 과정을 노드들의 물리적인 배치와 함께 설명하는 것을 보여주는 도면으로써, 최상위 클러스터헤드의 이동노드(201)은 통신반경을 Rc2(302)으로 확장하고, 통신반경 이내의 노드들(202)에게 멤버헤드가입메시지(103)을 보내 멤버헤드로 선택하고 멤버노드가입메시지(104)를 보내서 멤버노드로 선택하는 과정을 나타내는 도면이다.
101 : JREQ(Join Request message)
102 : JREP(Join Replay message)
103 : 멤버헤드가입메시지
104 : 멤버노드가입메시지
201 : 최상위 클러스터헤드노드
202 : 최상위 클러스터헤드노드(201)의 통신범위 내에 있는 노드
301 : 최상위 클러스터헤드노드(201)의 1차 통신범위
302 : 최상위 클러스터헤드노드(201)의 2차 통신범위
410 : 가상 클러스터 구성 단계
420 : 가상 클러스터의 링크코스트 연산단계
430 : 실제 클러스터 갱신 단계

Claims (6)

  1. 이동 에드혹 네트워크에서의 클러스터 내에서 소비되는 링크코스트를 예측함으로써 에너지 효율적으로 클러스터링을 구성하는 방법으로서, 가상 클러스터를 구성하는 구성 단계, 클러스터 내 노드들의 링크코스트를 연산하여 최적의 깊이를 예측하는 연산단계; 연산된 클러스터 계층의 깊이를 바탕으로 실제 클러스터 구성해나가는 구성 단계를 포함하는 링크코스트를 이용한 에너지 기반 이동 에드혹 네트워크 클러스터링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연산 단계는, 클러스터 내 이동노드들의 계층의 깊이를 가변적으로 적용했을 때, 클러스터 내에서 소비되는 전체 에너지량을 계산하여 그 중 가장 에너지 소비가 적을 때의 계층의 깊이를 최적이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 가상 링크코스트를 이용한 에너지 기반 이동 에드혹 네트워크 클러스터링 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 구성 단계는, 클러스터 내 모든 이동노들들과 클러스터헤더 사이의 패킷 이동 경로를 구성하기 위해서 클러스터 헤드가 JREQ(Join Request)패킷을 전송하는 것을 시작으로 하여, 계층적으로 클러스터를 구성하는 에너지 기반 이동 애드혹 네트워크 클러스터링 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 링크코스트 연산식은, 클러스터 내 모든 이동노드들의 송신에너지와 수신에너지의 합으로 정의함을 특징으로 하는 에너지 기반 이동 애드혹 네트워크 클러스터링 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 송신에너지는, N개의 노드에 대해서
    Figure pat00018
    와
    Figure pat00019
    를 상수값으로 고정하고, r로 정의되는 전송 비트 수를 갖는 클러스터 내 송신에너지
    Figure pat00020
    로 정의함을 특징으로 하는 에너지 기반 이동 에드혹 네트워크 클러스터링 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 제 4 항에 있어서, 상기 수신에너지는, N개의 노드에 대해서
    Figure pat00021
    를 상수값으로 고정하고, r로 정의되는 전송 비트 수를 갖는 클러스터내 송신에너지
    Figure pat00022
    로 정의함을 특징으로 하는 에너지 기반 이동 에드혹 네트워크 클러스터링 방법.
KR1020100039749A 2010-04-29 2010-04-29 링크코스트를 이용한 에너지 기반 이동 에드혹 네트워크 클러스터링 방법 KR101087034B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100039749A KR101087034B1 (ko) 2010-04-29 2010-04-29 링크코스트를 이용한 에너지 기반 이동 에드혹 네트워크 클러스터링 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100039749A KR101087034B1 (ko) 2010-04-29 2010-04-29 링크코스트를 이용한 에너지 기반 이동 에드혹 네트워크 클러스터링 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110120373A true KR20110120373A (ko) 2011-11-04
KR101087034B1 KR101087034B1 (ko) 2011-11-25

Family

ID=45391480

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100039749A KR101087034B1 (ko) 2010-04-29 2010-04-29 링크코스트를 이용한 에너지 기반 이동 에드혹 네트워크 클러스터링 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101087034B1 (ko)

Also Published As

Publication number Publication date
KR101087034B1 (ko) 2011-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Karim et al. QL-EEBDG: QLearning based energy balanced routing in underwater sensor networks
Jain et al. Geographical routing using partial information for wireless ad hoc networks
Shah et al. Energy aware routing for low energy ad hoc sensor networks
Mohanty et al. Distributed construction of minimum connected dominating set in wireless sensor network using two-hop information
CN109547351B (zh) Ad Hoc网络中基于Q学习和信任模型的路由方法
EP1665658B1 (en) Hierarchical routing in ad-hoc networks
Wajgi et al. Load balancing based approach to improve lifetime of wireless sensor network
Renold et al. MRL-SCSO: multi-agent reinforcement learning-based self-configuration and self-optimization protocol for unattended wireless sensor networks
JP2008078963A (ja) 無線センサネットワークの通信方法及びセンサノード
Ali et al. An on-demand power and load-aware multi-path node-disjoint source routing scheme implementation using NS-2 for mobile ad-hoc networks
Avokh et al. Dynamic balanced spanning tree (DBST) for data aggregation in wireless sensor networks
Tekkalmaz et al. PSAR: power-source-aware routing in ZigBee networks
Dhumane et al. Fractional gravitational Grey Wolf optimization to multi-path data transmission in IoT
Qaisar et al. SDORP: SDN based opportunistic routing for asynchronous wireless sensor networks
Wang et al. Hop-based energy aware routing algorithm for wireless sensor networks
Sengul et al. A survey of adaptive services to cope with dynamics in wireless self-organizing networks
CN110831006B (zh) 自组网系统及其数据传输方法
Mahajan et al. A novel chain based wireless data sensor network (ECBSN) technique
Behera et al. Routing protocols
Parthiban et al. Maximizing the network life time based on energy efficient routing in ad hoc networks
Alnawafa et al. EDMHT-LEACH: Enhancing the performance of the DMHT-LEACH protocol for wireless sensor networks
Basarkod et al. Node movement stability and congestion aware anycast routing in mobile ad hoc networks
Chaudhari et al. Multilayered distributed routing for power efficient MANET performance
Cecílio et al. Survey on data routing in wireless sensor networks
Ouni et al. A new energy-efficient neighbor discovery and load balancing protocol for mobile sensor networks

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150603

Year of fee payment: 4

R401 Registration of restoration
LAPS Lapse due to unpaid annual fee